1、引言

　　空間真空測(cè)量技術(shù)是與人類(lèi)探索和開(kāi)發(fā)宇宙空間的進(jìn)程緊密相連的。人類(lèi)從地面出發(fā)，向深度宇空進(jìn)軍，要經(jīng)歷寬廣的氣體壓力變化，空間科學(xué)研究的對(duì)象正是處在這樣的環(huán)境之中。因此，對(duì)宇空真空環(huán)境的度量和探測(cè)，也就成為空間科學(xué)中的研究?jī)?nèi)容。

　　在宇宙空間，從航天器飛出的分子無(wú)碰撞地沉沒(méi)在無(wú)限空間之中再不返回，所以宇宙空間是具有無(wú)限抽速的“ 分子沉”環(huán)境。在分子沉效應(yīng)的空間真空環(huán)境中，分子運(yùn)動(dòng)有非常強(qiáng)的方向性，呈各向異性分布，分子密度也是非均勻分布，建立在氣體分子運(yùn)動(dòng)論基礎(chǔ)上的一些平衡態(tài)下的定律和公式已不適用，要運(yùn)用非平衡態(tài)分子流理論進(jìn)行研究。

　　非平衡態(tài)分子流的研究，具有一定的普遍性，又有很強(qiáng)的目的性。國(guó)外在這方面開(kāi)展了一些理論探討和實(shí)驗(yàn)研究工作。因?yàn)楸谎芯繉?duì)象的特殊性，所以至今尚未建立普遍適用的理論體系和實(shí)驗(yàn)方法，大多數(shù)是結(jié)合具體研究對(duì)象開(kāi)展理論與實(shí)驗(yàn)方面的研究。

　　美國(guó)NASA研究了用球形校準(zhǔn)容器作為大型空間模擬容器的原位置校準(zhǔn)的有關(guān)理論問(wèn)題；英國(guó)愛(ài)德華公司實(shí)測(cè)了球形校準(zhǔn)容器中分子流場(chǎng)分布；德國(guó)PTB 實(shí)測(cè)了校準(zhǔn)容器中內(nèi)切球赤道上的分子流場(chǎng)分布；德國(guó)宇航院（ DFVLD）研究了大型空間模擬器中的分子流場(chǎng)分布，并實(shí)測(cè)了航天飛機(jī)上空間實(shí)驗(yàn)室附近的分子流場(chǎng)分布；原蘇聯(lián)結(jié)合實(shí)際的受控核聚變反應(yīng)裝置研究了“ 復(fù)雜系統(tǒng)中的分子流場(chǎng)”；我國(guó)蘭州物理研究所對(duì)球形校準(zhǔn)容器中分子流場(chǎng)分布和一些真空部件（ 孔和管道）出口分子流花樣分布進(jìn)行了實(shí)測(cè)，都獲得了一些針對(duì)性強(qiáng)、有實(shí)用價(jià)值的研究結(jié)果。

　　方向性真空規(guī)是研究非平衡態(tài)分子流的有力工具。隨著對(duì)非平衡態(tài)分子流研究的深入和發(fā)展，尤其是空間科學(xué)的進(jìn)展，大大地開(kāi)闊了非平衡態(tài)分子流的研究領(lǐng)域，相繼出現(xiàn)了很多類(lèi)型的方向性真空規(guī)�？臻g比較常用的2 種方向性真空規(guī)是轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)和束檢測(cè)器方向性真空規(guī)。

　　美國(guó)、俄羅斯（原蘇聯(lián)）、歐共體等在空間真空測(cè)量方面已作了大量的研究工作，先后研制出一系列方向性真空規(guī)用于探測(cè)大氣層密度和壓力分布。

　　美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家已研制出專(zhuān)用的方向性真空規(guī)，正在進(jìn)行金星、火星的大氣環(huán)境的探測(cè)；用于水星、木星大氣環(huán)境探測(cè)的方向性真空規(guī)正在研制之中。

　　在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心與蘭州物理研究所在從事空間真空測(cè)量方面的研究工作。我國(guó)在這一領(lǐng)域雖然起步較晚，但成績(jī)顯著。

　　中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心已將研制出的空間真空規(guī)用于“ 神舟”號(hào)飛船上，對(duì)飛船運(yùn)行軌道高度上空間真空度的變化進(jìn)行了探測(cè)。

　　蘭州物理研究所已研制出了2種空間真空規(guī)樣機(jī)，即轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)和雙圓錐束檢測(cè)器方向性真空規(guī)。這2 種空間真空規(guī)通過(guò)對(duì)其性能進(jìn)行不斷完善，可用于低地球軌道空間環(huán)境的真空度（ 大氣密度）的探測(cè)。作者將簡(jiǎn)要介紹所研制的這2種空間真空規(guī)。

2、球錐型轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)

　　轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)把非平衡態(tài)分子流變成平衡態(tài)分子流，經(jīng)理論運(yùn)算反推回到非平衡態(tài)，從而得到非平衡態(tài)分子流信息。

　　基于空間非平衡態(tài)分子流的理論研究，作者研制了球錐型轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)。球錐型平衡室在平衡室和測(cè)量室之間設(shè)計(jì)一個(gè)錐形障板，使得入射的氣體分子在平衡室經(jīng)過(guò)多次碰撞后，從錐底與球面之間的環(huán)形區(qū)域內(nèi)進(jìn)入到測(cè)量室，從而獲得良好的平衡效果，如圖1所示。

　　球錐型平衡室的材料全部采用1Cr₁₈Ni₉Ti。擋板和平衡室主體用3個(gè)螺栓連接，使得擋板的相對(duì)位置可以調(diào)節(jié)。

　　傳感器是測(cè)量室中將進(jìn)入的氣體電離的機(jī)構(gòu)，通常使用裸B-A規(guī)或者冷陰極規(guī)，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。

　　B-A規(guī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)磁場(chǎng)等特殊要求，質(zhì)量輕，測(cè)量方便，其規(guī)管性能研究比較成熟。對(duì)于地面實(shí)驗(yàn)時(shí)，一般的裸B-A 就能夠滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求，但在空間測(cè)量時(shí)，由于空間原子氧容易和熱陰極復(fù)合，使得B-A規(guī)對(duì)原子氧有很大的抽速，導(dǎo)致規(guī)中氣體密度和成分發(fā)生變化，影響測(cè)量結(jié)果。

　　冷陰極電離規(guī)受化學(xué)活性氣體影響小，在空間使用時(shí)，減少了原子氧的影響，但由于其有磁鐵，增大了規(guī)的體積和功率。

　　作者選用復(fù)合B-A規(guī)作為轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)的傳感器。

　　當(dāng)轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)用于空間測(cè)量時(shí)，其與地面測(cè)量有很大的不同，主要是空間原子氧的復(fù)合和空間正離子對(duì)測(cè)量的影響。

　　由于錐形擋板的存在，通過(guò)模擬計(jì)算可知，空間氣體粒子（ 包括中性分子、原子氧和正離子等）進(jìn)入平衡室后，至少和平衡室碰撞一次后飛入測(cè)量室，并且大部分粒子都是經(jīng)過(guò)多次碰撞后才被電離機(jī)構(gòu)電離，這就使得其中的原子氧在碰撞過(guò)程中在內(nèi)壁上復(fù)合，減少了原子氧對(duì)燈絲的毒化。

　　同樣，錐形擋板的存在免于空間正離子直接飛入測(cè)量室。為了更好的減小正離子的影響，可以采用圖2所示的設(shè)計(jì)方法。

　　在圖2中，給錐形擋板接+20 V 電壓，空間正離子會(huì)被錐形擋板形成的電場(chǎng)排斥，不能或者很少能飛入平衡室，這時(shí)擋板采用陶瓷材料與平衡室主體連接，并用陶瓷芯柱將導(dǎo)線(xiàn)引出，避免整個(gè)規(guī)體帶電而對(duì)電離機(jī)構(gòu)的電離測(cè)量帶來(lái)影響。

　　轉(zhuǎn)換器方向性真空規(guī)的主要技術(shù)指標(biāo)：測(cè)量范圍為(10^-7～10^-2) Pa；測(cè)量不確定度為33%；方向性角為15^o；測(cè)量室壓力平衡時(shí)間為5 ms；質(zhì)量為1.8 kg；尺寸為φ 69 mm×197 mm。